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本科畢業(yè)設(shè)計開題報告 課題名稱垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計 學(xué) 號 XXXXXXXX 姓 名 XXX 專 業(yè) 機(jī)械工程 指導(dǎo)教師 XXX 開題時間 2017年 3月 20日 XX大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院 一、立論依據(jù) 1． 本課題的目的和意義 1.1目的： 風(fēng)能是一種取之不盡,無任何污染的可再生能源。地球上的風(fēng)能資源極其豐富，據(jù)專家估計，僅1%的地面風(fēng)力就能滿足全世界對能源的需求。人類利用風(fēng)能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明以前風(fēng)能曾作為重要的動力，應(yīng)用于人類生活的眾多方面。風(fēng)力發(fā)電的探索，則起源于19世紀(jì)末的丹麥，但是直到20世紀(jì)70年代以前，還只有小型充電用風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到實用階段。1973年爆發(fā)石油危機(jī)以后，美國、西歐等發(fā)達(dá)國家為尋求替代石油燃料的能源，投入了大量經(jīng)費(fèi)，動員高科技產(chǎn)業(yè)，利用計算機(jī)、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的新技術(shù)研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開創(chuàng)了風(fēng)能利用的新時代。由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電越來越受到世界各國的重視。 綜上我們知道：清潔能源利國利民，但由于目前資源型能源價格低，可再生能源投資大有資源型能源，投資回收期長，因而造成清潔能源發(fā)展緩慢。但隨著資源型能源的價值提高，給可再生能源帶來了一定的生機(jī)，特別是沿海等風(fēng)帶的風(fēng)力發(fā)電更是發(fā)展迅猛。但城郊等低高度低風(fēng)速的應(yīng)用尚不普及，特別是可應(yīng)用于公共設(shè)施的垂直軸低風(fēng)速發(fā)電機(jī)開發(fā)少之又少。因此，充分利用低速風(fēng)能的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天顯得尤為重要。 本課題來自于社會的需求，風(fēng)力是一種清潔能源，是一種環(huán)保能源。相對于傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有設(shè)計方法先進(jìn)、風(fēng)能利用率高、起動風(fēng)速低、無噪音等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有更加廣闊的市場應(yīng)用前景，相信在不久的將來，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)將大有作為。 因此充分利用低速風(fēng)能的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天顯得尤為重要 1.2意義 目前，中國的大氣污染已經(jīng)對社會環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，從中央到地方，無不對工業(yè)污染造成的經(jīng)濟(jì)發(fā)展制約和國際對華投資的負(fù)面影響而擔(dān)憂。垂直軸風(fēng)力機(jī)由于具有噪聲低、美觀、可以與建筑一體化等方面的優(yōu)勢，用它來發(fā)電可作為生產(chǎn)清潔能源的補(bǔ)充。水平軸風(fēng)力發(fā)電和光伏做不到的領(lǐng)域，垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)電可以做到。 綜上所述，本課題所設(shè)計的垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有十分重要的使用價值。 二、文獻(xiàn)綜述 1． 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài) 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)——使風(fēng)電建筑一體化成為可能 風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電一樣，最初是為了解決應(yīng)急電源和邊遠(yuǎn)地區(qū)供電而開發(fā)出來的產(chǎn)品，因而在最初發(fā)展并不是很快。 到了上個世紀(jì)二、三十年代，全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)帶來的能源緊張，讓世界各國的專家想到了以風(fēng)力發(fā)電作為補(bǔ)充能源的可行性。第二次世界大戰(zhàn)后，各國紛紛進(jìn)行研究，由于當(dāng)時的技術(shù)水平較差，啟動風(fēng)速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)放在人跡罕至的地方或風(fēng)力較大的地方。設(shè)備也是往大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場，由于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長的時間里未得到較好的發(fā)展。 2002年，中國率先開始了新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究，由部隊通訊部牽頭，上海某公司為研發(fā)主體，西安軍電、西安交大、同濟(jì)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校的多位專家配合，在短短的一年時間里就生產(chǎn)出了首臺新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。并在不到5年的時間里將功率擴(kuò)展至200W～100KW，處于世界領(lǐng)先地位。 世界上其他國家也都進(jìn)行了新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制，日本在2002年初開始研究，2003年初產(chǎn)品投放市場，功率在0.5～30KW之間。美國、英國、德國、奧地利、韓國等國家也都在2006年已生產(chǎn)出樣機(jī)，準(zhǔn)備投入規(guī)模化生產(chǎn)，功率都在10KW以內(nèi)。 2． 所閱文獻(xiàn)的查閱范圍及手段 網(wǎng)絡(luò)資源，圖書館借閱。 參考文獻(xiàn) [1] 宋海輝，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及工程 中國水利水電出版社 2009.2 [2] 葉杭冶，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、運(yùn)行與維護(hù) 2010.6 [3] 吳雙群，風(fēng)力發(fā)電原理 2011.10 [4] 馬麗娜，風(fēng)力發(fā)電實用技術(shù)問答 2009.9 [5] 孫志禮，機(jī)械設(shè)計[M]，北京：科學(xué)出版社，2015.3 [6] 李樹軍，機(jī)械原理[M]，北京：科學(xué)出版社，2009.8 [7] 王季秩等．電機(jī)實用技術(shù)．上海：科學(xué)技術(shù)出版社，1997 [8] Yin X X, Lin Y G, Li W, et al. Design, modeling and implementation of a novel pitch angle control system for wind turbine[J]. Renewable Energy, 2015, 81:599-608. [9] Kristian Regenstein, Design of an open hardware architecture for the humanoid robot ARMAR 三、研究內(nèi)容 1．課題的構(gòu)想與思路 根據(jù)實際應(yīng)用和課題的目標(biāo)，選擇發(fā)電機(jī)的種類，設(shè)計計算它的各種數(shù)據(jù)，選擇發(fā)電機(jī)各個部件的材料，對啟動阻力矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計算，并校核發(fā)電機(jī)軸和軸系零件，對軸承進(jìn)行強(qiáng)度校合和壽命計算。 2．主要設(shè)計內(nèi)容 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計方案：包括發(fā)電機(jī)整體方案的設(shè)計，葉片葉型的設(shè)計與選擇，制動裝置的設(shè)計等。 在已有的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，較為典型的有：達(dá)里厄(Darrieus)式垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)、旋翼式風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。 大型達(dá)里厄垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、垂直軸、增速器、聯(lián)軸器、制動器、發(fā)電機(jī)、塔架和拉線等組成。 3．?dāng)M解決的關(guān)鍵技術(shù) 增速器及增速箱的設(shè)計及選擇：包括箱體的具體設(shè)計及各個齒輪傳動比等的設(shè)計。 4． 總體設(shè)計方案 1）、安全性：由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了垂直葉片和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計，并且主要受力點(diǎn)集中于輪轂，因此葉片脫落、斷裂和葉片飛出等問題得到了較好的解決。 2）、噪音：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了水平面旋轉(zhuǎn)以及葉片應(yīng)用飛機(jī)機(jī)翼原理設(shè)計，使得噪音降低到在自然環(huán)境下測量不到的程度。 3）、抗風(fēng)能力 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計原理，使得它受風(fēng)壓力小，可以抵抗每秒45米的超強(qiáng)臺風(fēng)。 4）、回轉(zhuǎn)半徑 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其設(shè)計結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)原理的不同，比其他形式風(fēng)力發(fā)電具有更小的回轉(zhuǎn)半徑，節(jié)省了空間，同時提高了效率。 5）、發(fā)電曲線特性 由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，它的啟動風(fēng)速低于其他形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電功率的上升幅度較平緩，因此在5-8米風(fēng)速范圍內(nèi)，它的發(fā)電量較其他類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高10%—30% 6）、利用風(fēng)速范圍 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了特殊的控制原理，使它的適合運(yùn)行風(fēng)速范圍擴(kuò)大到2.5—25m/s，在最大限度利用風(fēng)力資源的同時獲得了更大的發(fā)電總量，提高了風(fēng)電設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)性。 7）、剎車裝置 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)可配置機(jī)械手動和電子自動剎車兩種，在無臺風(fēng)和超強(qiáng)陣風(fēng)的地區(qū)，僅需設(shè)置手動剎車即可。 8）、運(yùn)行維護(hù) 由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)，無需齒輪箱和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，定期（一般每半年）對運(yùn)轉(zhuǎn)部件的連接進(jìn)行檢查即可。 5、預(yù)期效果 設(shè)計了一臺額定風(fēng)速3～20m/s，輸出功率為500W的垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，增加了增速器，并為其設(shè)計了對應(yīng)的支架，使得當(dāng)風(fēng)力小的時候，還能保證發(fā)電機(jī)依舊可以工作。 四、工作計劃 序號 階段及內(nèi)容 工作量估計 （時數(shù)） 起止日期 階段成果形式 1 查閱資料，了解本設(shè)計的目的、意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，發(fā)展動態(tài)；明確風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本組成部分，各部分主要功能和主要的設(shè)計參數(shù)，進(jìn)行方案設(shè)計；翻譯英語文獻(xiàn)。 160 1-4周 完成開題報告、英語文獻(xiàn)翻譯。 2 根據(jù)設(shè)計方案，進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)計計算、重要部件的強(qiáng)度計算；對主要零部件進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計 200 5-9周 完成主要結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計、中期報告。 3 根據(jù)計算所得設(shè)計參數(shù)進(jìn)行二維設(shè)計；修改、完善二維裝配圖設(shè)計；進(jìn)行部分零件圖設(shè)計。 160 10-13周 完成三維設(shè)計，二維裝配圖設(shè)計、部分零件圖設(shè)計。 4 撰寫畢業(yè)論文； 80 13-14周 按要求完成畢業(yè)論文 5 論文修改、提交材料準(zhǔn)備答辯。 80 14-15周 準(zhǔn)備好各項材料 合計工作量：160+200+160+80+80=680 五、評審意見 指導(dǎo)教師對本課題的評價 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 4